基于鱼类物种状况的长江生态环境质量评估

林鹏程 高 欣 刘 飞 黎明政 刘焕章

(中国科学院水生生物研究所, 中国科学院水生生物多样性与保护重点实验室, 武汉 430072)

在全球人类活动日益加剧、生物多样性丧失愈加严重的背景下, 水生态环境的保护越来越受到广泛的重视。如何评估水域生态环境的现状, 并采取合适的保护措施是当前迫切需要解决的问题。传统的水域环境评价是通过对水质指标(如溶解氧、总氮、总磷)的分析来反映评价区域非生物要素所处的条件状况[1]。随着生态系统健康的概念逐渐被认识, 基于生物的多指标评价体系成为生态学家和生态环境管理部门关注的焦点之一[2], 如美国环境保护署(EPA)提出的快速生物评价方法(Rapid Bioassessment Protocols, RBPs)和欧盟水框架指令(EU Water Framework Directive, WFD)提出的多指标评价体系(European Multimetric Index, EMI)[3,4]。在这些评价体系中, 基于物种数的评价指标是应用频次最多、适用范围最广泛的指标[5]。长江是我国第一大河流, 也是世界上水生生物最为丰富的河流之一, 分布有水生生物4300余种[6]。这些水生生物既是重要的生物多样性资源, 也是长江生态环境质量的指示生物。鱼类是水域生态系统的顶级类群, 对水质的灵敏程度高, 具有良好的指示作用。为此, 本文基于鱼类物种状况, 提出相应的评价指标, 评估长江生态环境质量, 并希望对长江大保护工作有一定指导。

1 评价指标及基准

1.1 评价指标

土著鱼类物种现状土著鱼类是指长期适应某一水域或特定生态系统, 在地质历史时间尺度上自然演化形成的原生物种, 它们与其环境形成了密切的关联, 因而可以反映生态环境的质量状况。经统计, 长江流域分布有土著鱼类463种, 其中长江上游分布有鱼类286种, 中游有227种, 下游有147种。

珍稀、特有鱼类物种现状珍稀鱼类是指数量极其稀少、奇缺和珍贵的物种。在实际应用中,通常将国家级重点保护动物(鱼类)称为珍稀鱼类。根据2021年公布的《国家重点保护野生动物名录》, 长江分布有珍稀鱼类29种(属), 如白鲟(Psephurus gladius)、中华鲟(Acipenser sinensis)、长江鲟(Acipenser dabryanus)、胭脂鱼(Myxocyprinus asiaticus)、川陕哲罗鲑(Hucho bleekeri)和松江鲈(Trachidermus fasciatus)等[7]。其中, 长江上游有珍稀鱼类20种, 中下游有9种。在中下游, 中华鲟是长江代表性的旗舰物种, 具有溯河洄游习性。宜昌葛洲坝下分布有中华鲟唯一的自然产卵场, 其生态环境质量直接影响中华鲟的繁殖效率和与种群大小。

特有鱼类是指仅生存于某一水域或地区的鱼类。长江流域分布有特有鱼类183种, 如圆口铜鱼(Coreius guichenoti)、岩原鲤(Procypris rabaudi)、长薄鳅(Leptobotia elongata)等。其中, 长江上游分布的特有鱼类有124种, 占上游鱼类总物种数的43.4%, 且资源现状多已濒危, 是上游生物多样性的主要保护对象。中下游分布有特有鱼类59种。

根据长江上游和中下游珍稀、特有鱼类的分布状况, 建议长江上游的珍稀、特有鱼类物种现状以珍稀、特有鱼类物种数作为评价指标; 长江中下游的珍稀、特有鱼类物种现状以中华鲟繁殖群体数量作为评价指标。关于中华鲟繁殖群体数量的评估另文描述。

1.2 评价基准

基准值(即期望值)是评价水体曾经达到或者可能达到的最优水平, 也表示保护需要达到的目标。总结相关文献资料和本团队的野外监测数据, 给出了长江各江段及重点水域的土著鱼类和珍稀特有鱼类物种数的评价基准(表 1)。其中, 长江上游宜宾至合江干流土著鱼类物种数为127种, 中游宜昌江段土著鱼类物种数为72种, 下游安庆江段土著鱼类物种数为92种。长江上游宜宾至合江干流珍稀特有鱼类物种数为40种。

表1 长江干流不同江段/水域鱼类评价的基准值及评估等级Tab. 1 The benchmark values and evaluation grades for fish richness in different regions of the Yangtze River

2 评价方法和结果

2.1 评价方法

指标计算评价指标的得分值(Metricscores)通过计算观测值(O)与期望值(E)的比值获得, 计算公示如下:

以长江上游宜宾至合江江段为例, 2010年监测到的土著鱼类物种数为88种, 2020年监测到的土著鱼类物种数为97种。根据确定的期望值, 2010年、2020年土著鱼类物种数指标的评价值分别为69.3%和76.4%。

指标的等级划分参考欧盟《水框架法令》中的生态健康等级等实例的分级方法[8,9], 并考虑到与前期研究工作的一致性[10,11], 将长江鱼类评价指标分为5级, 分别为“优”、“良”、“中”、“差”、“极差”(表 2)。同时, 根据本团队的长期监测数据和历史资料, 基于恢复生态学的评价理论(采集物种数达基准值80%以上可为优)和长江水生生物完整性指数评价体系划分方法, 确立了长江鱼类物种状况指标的划分标准。其中, 土著鱼类物种数占基准值90%以上为“优”, 介于80%—90%的为“良”, 介于70%—80%的为“中”, 介于60%—70%的为“差”, 低于60%的为“极差”。珍稀特有鱼类物种数占基准值80%以上为“优”, 介于60%—80%的为“良”, 介于40%—60%的为“中”, 介于20%—40%的为“差”, 低于20%的为“极差”。

表2 长江生态环境质量评估各指标的评价等级及划分标准Tab. 2 Grades and scoring criteria for the metrics used to assess the ecological environment of the Yangtze River

2.2 评价结果

以2010年和2020年为评价年, 对长江不同水域进行评价。结果显示, 当前长江上游干流和下游干流的生态环境质量优于中游; 支流赤水河的生态环境质量良好, 大型湖泊鄱阳湖的生态环境质量中等。从时间上看, 随着长江禁渔等一系列生态保护措施的实施, 长江干流的生态环境质量有不同程度地好转(图 1)。

图1 基于鱼类的长江生态环境评估结果Fig. 1 Results of fish-based ecological assessment of the Yangtze River

3 讨论

3.1 评价指标的适用性

在河湖生态环境质量评估的研究工作中, 基于生物的多指标评价(Multimetric indices)始建于Karr建立的鱼类生物完整性指数(Fish index of biological integrity, F-IBI), 其评价原理区域就是区域内鱼类等生物群落的物种组成、多样性等特征与区域所提供的生境质量具有对应关系[12]。随着FIBI的推广, 众多学者逐渐衍生出以底栖动物、浮游植物和着生藻类等为指示生物的IBI, 并在河流、湖泊和河口等水域得到了广泛应用[13]。Ruaro等[5]对全球范围内应用多指标体系进行环境质量评估的案例进行了文献计量学分析。结果显示,55%的研究工作以鱼类为指示物种, 且物种数是应用最多的指标之一, 说明基于物种数的评价指标具有较好的适用性。

长江是我国淡水鱼类种类最丰富的河流, 也曾是重要的渔业产区。但是, 受拦河筑坝、水域污染、过度捕捞、航道整治、岸坡硬化和挖砂采石等多因素综合作用的结果[14], 长江流域鱼类多样性丧失严重, “生物完整性指数到了最差的‘无鱼’等级”[9]。农业农村部及有关部门于2017年出台了“率先在长江流域水生生物保护区实现全面禁捕”等一系列保护措施, 赤水河等长江流域重要的水生生物保护区在2019年底以前已经开始禁捕, 长江鱼类资源开始恢复。2020年长江禁渔效果非常明显, 说明本文的评价指标有很好的敏感性和适用性。

3.2 改善长江生态环境的对策与建议

从生态系统的角度改善长江水域生态环境, 恢复物种数量总体来看, 鱼类物种数的变化受整体生态缓解质量的影响, 物种数的提高依赖于整体生态系统的修复。因此, 建议从生态系统的角度,在栖息地保护与修复、水污染治理等方面, 整体上改善长江流域的生态环境, 恢复鱼类多样性。其中,栖息地保护与修复包括加强对干流自然流水河段保护, 对支流小水电站进行分类整改, 在条件适宜的支流实施全面生态修复工程, 恢复河流自然流态,恢复特有鱼类资源; 逐步有序恢复长江中下游河湖连通及其自然水文过程, 为鱼类提供良好的生境条件。水污染治理应加强点、面源污染科学防治, 尤其要严格禁止水生生物保护区、重要栖息地的污染排放, 建立系统污染监测网络, 保障水生生物栖息环境健康安全。

采取人工辅助措施拯救珍稀濒危物种随着十年禁渔等措施的实施, 长江生态环境将会明显改善, 鱼类资源将会显著恢复, 但是仍有部分珍稀特有物种的濒危状态难以得到有效缓解。例如, 中华鲟繁殖群体数量急剧减少, 2020年已不足20尾,而且中华鲟自然繁殖活动出现中断。长江鲟曾是长江上游重要的经济捕捞对象。20世纪后期, 长江鲟自然种群规模急剧缩小, 2000年左右其自然繁殖活动停止, 自然种群已无法自我维持。因此, 建议持续推进珍稀濒危物种拯救行动计划, 通过人工增殖、栖息地保护等多项保护和修复措施, 全力扭转长江水生生物资源衰退趋势。

外来种防控监测表明, 外来种入侵威胁着长江鱼类多样性和水域生态安全。蓄水后三峡库区发现外来入侵鱼类23种, 且部分物种的种群数量呈暴发趋势; 长江下游发现外来鱼类33种[15,16]。这些外来种大多繁殖力高、食性杂、扩散能力强, 具有较强的生态适应能力, 它们一旦在野外成功建群,可以通过竞争、捕食、杂交等方式对土著物种构成直接威胁, 或者通过对环境的干扰和破坏间接影响土著种类, 导致生物多样性降低。建议加强外来种的管控, 通过研究其入侵途径和扩散机制, 科学预测外来种入侵引起的生态学效应, 建立科学有效的预警、防控技术体系。